ZigBee網(wǎng)絡(luò)Cluster－Tree優(yōu)化路由算法研究
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無(wú)線通信和嵌入式微傳感器技術(shù)的快速發(fā)展促進(jìn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的崛起。ZigBee協(xié)議基于IEEE 802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)制定，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層等，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)的功能。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，如果節(jié)點(diǎn)在最后因?yàn)樽陨淼哪芰肯拇M而死亡，將會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能造成很大影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)情況來(lái)選擇最符合應(yīng)用需求的路由協(xié)議，讓路由協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x擇合適的路徑，平均分布節(jié)點(diǎn)的傳輸能量，降低網(wǎng)絡(luò)的功耗是網(wǎng)絡(luò)層必須要考慮的任務(wù)。
1 ZigBee路由算法研究
依據(jù)設(shè)備的能力，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以分為全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和半功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。FFD能轉(zhuǎn)發(fā)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)幀，RFD則不能。當(dāng)FFD加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它可以作為協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器會(huì)周期性地廣播數(shù)據(jù)幀，周圍的RFD能夠發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。在星型拓?fù)渲?，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所有終端設(shè)備都直接與協(xié)調(diào)器通信，并且由它維護(hù)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)層還支持樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)采用分級(jí)路由的策略在網(wǎng)絡(luò)中傳送數(shù)據(jù)和控制信息，而網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)則可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。在樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)中，根節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))和所有的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)(路由器節(jié)點(diǎn))是FFD，而RFD只能作為葉子節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))。當(dāng)協(xié)調(diào)器或路由器加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它必須被分配唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。
1．1 網(wǎng)絡(luò)地址分配
ZigBee協(xié)議規(guī)范使用一個(gè)分布式地址方案分配網(wǎng)絡(luò)地址，它設(shè)計(jì)為給每個(gè)潛在父節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)有限的網(wǎng)絡(luò)地址子塊。當(dāng)一個(gè)設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，其父節(jié)點(diǎn)給該節(jié)點(diǎn)自動(dòng)分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。
1．2 ZigBee路由算法
網(wǎng)絡(luò)層支持Cluster-Tree、AODVjr和Cluster-Tree+AODVjr算法(以下簡(jiǎn)稱C+A算法)等多種路由算法，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議兼具樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特性。
1．2．1 Cluster-Tree算法
樹(shù)路由機(jī)制是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點(diǎn)間的父子關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)路由的。如果目的地址設(shè)備不是該路由器的子孫，則直接將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)給該路由器的父節(jié)點(diǎn)，其父節(jié)點(diǎn)將按照同樣的步驟進(jìn)行路由。
1．2．2 AODVjr算法
AODVjr是對(duì)AODV算法的一種簡(jiǎn)化改進(jìn)，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)要尋找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路徑時(shí)，先向其鄰居節(jié)點(diǎn)組播RREQ分組。收到該分組的鄰居節(jié)點(diǎn)若具備路由能力，則建立指向源節(jié)點(diǎn)的反向路由回復(fù)，同時(shí)繼續(xù)向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)組播該RREQ分組。若不具備路由能力，則通過(guò)Cluster-Tree路由算法將該分組交由其子孫節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)接收到此RREQ分組后，通過(guò)單播的方式向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP分組，同時(shí)，所有接收到此RREP分組的節(jié)點(diǎn)都將更新記錄自己的鄰居表，路由建立成功。實(shí)驗(yàn)證明，AODVjr算法在保持了AODV原始功能的基礎(chǔ)上，控制開(kāi)銷比AODV算法更小，因此更節(jié)能。
1．2．3 Cluster-Tree+AODVjr算法
在此算法中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)被分成了4類：Coordinator、RN+、RN-和RFD。其中RN+具有足夠的存儲(chǔ)空間和能力來(lái)進(jìn)行AODVjr協(xié)議；而RN-則因存儲(chǔ)空間受限，不能夠進(jìn)行AODVjr協(xié)議。Coordinator、RN+、RN-都具有路由功能，在通信時(shí)，如果目的節(jié)點(diǎn)不是鄰居節(jié)點(diǎn)，RN+將會(huì)啟動(dòng)AODVjr，主動(dòng)查找到達(dá)目地節(jié)點(diǎn)的最佳路徑；RN-節(jié)點(diǎn)只能通過(guò)樹(shù)路由算法來(lái)尋找下一跳的節(jié)點(diǎn)。仿真證明，采用Cluster-Tree和AODVjr相結(jié)合的路由協(xié)議在保證分組遞交率的情況下，具有比單獨(dú)使用其中一種路由協(xié)議更低的控制開(kāi)銷和平均時(shí)延。
2 優(yōu)化ZigBee路由算法
2．1 ZigBee路由算法問(wèn)題
Cluster-Tree算法必須按照簇樹(shù)型結(jié)構(gòu)地址分配方式來(lái)尋址，路由效率低，并且源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑由于跳數(shù)過(guò)多，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
AODVjr算法在路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生分組大量泛洪問(wèn)題。例如，當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)是源節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)時(shí)，若采用AODVjr向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ分組，則向其父節(jié)點(diǎn)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREQ分組是多余的；若目的節(jié)點(diǎn)不是源節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，則采用AODVjr向其子節(jié)點(diǎn)方向發(fā)送RREQ分組是多余的。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)的最大深度是1，則數(shù)據(jù)幀可能被轉(zhuǎn)發(fā)的最長(zhǎng)路徑是21，因此當(dāng)跳數(shù)大于21時(shí)，就應(yīng)停止對(duì)RREQ分組的繼續(xù)廣播，將其丟棄；假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)為M，當(dāng)RREQ分組被轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)大于M時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)是多余的。由于每一次AODVjr路由都要產(chǎn)生大量的RREQ泛洪，因此會(huì)使節(jié)點(diǎn)能量消耗嚴(yán)重。
評(píng)論